复杂结构焊接变形预测的模块载荷法特性

应用力学和有限元方法,探讨了基于模块载荷有限元法预测复杂结构焊接变形的力学原理及特性,分析了模块载荷中残余应力和残余应变的载荷特性和有限元分析的收敛性,提出将残余应力载荷力学等效为节点应力载荷的方法,有效地解决了模块载荷有限元法焊接变形的弹性分析中结构易畸变、不收敛问题,并为分析焊接顺序影响提供可能.以船体底部分段为例,采用新提出的模块等效残余应力法预测了结构焊接变形,并且考虑焊接顺序影响,对比分析了焊接顺序对结构焊接变形的影响,试验结果与试验数据的吻合性验证了方法的有效性.     

焊接变形预测技术研究进展

焊接变形是影响焊接结构质量和生产率的主要问题之一，焊接变形的存在不仅影响着焊接结构的制造过程，而且影响着焊接结构的使用性能。一般认为，焊接过程中材料的不均匀受热、板厚方向的热梯度、材料的局部非协调塑性应变以及焊接残余应力的作用是产生各种焊接变形的根本原因。焊接变形预测方法大都基于有限元分析。文中详述了国内外有关焊接变形预测技术的最新研究进展，具体介绍了热弹塑性有限单元法、固有应变法以及基于传统有限元的优化设计法与人工神经网络模型等先进的焊接变形预测方法。     

基于固有应变的大型焊接结构变形的预测

首先用热弹塑性有限元法研究了铝合金对接焊的固有应变的变化规律，得到了固有应变，即纵向收缩力Tendon Force，横向收缩和角变形与热输入参数Q／h^2之间关系曲线。在掌握了同有应变的变化规律的基础上，通过简化焊接结构，用弹性板单元有限元法，对大型铝合金机车车顶盖的部分结构的焊接变形进行了预测。研究表明，用基于固有应变的弹性板单元有限元法对大型焊接结构的焊后变形预测足可以实现的。     

货车侧墙薄板结构的焊接变形预测与控制

货车侧墙薄板结构在焊接过程中由于焊缝处收缩产生压应力导致侧墙板失稳,产生波浪变形,一方面使结构强度降低,另一方面影响了表面的平整和美观,有效预测和控制它的焊接变形是个难题.基于固有应变等效载荷的有限元方法,对货车侧墙的焊接变形进行预测,分析其焊接变形的规律.结果表明,仿真数值与实测数值基本一致.同时在此仿真模型的基础上,通过正交设计方法调整设计参数与焊接参数,研究不同因素对焊接变形的影响程度,最后得出最优方案,从而为控制薄板侧墙的焊接变形提供理论根据.     

货车端墙焊接变形的预测

货车端墙属于薄板结构,在焊接生产过程容易发生失稳,产生波浪变形。这类变形往往是不规则的,这不仅影响货车的外观和使用性能,而且使得设计预留的装配尺寸不容易控制。因此,预测并控制整个结构的焊接变形量是有必要的。运用固有应变等效载荷法在大型有限元软件ANSYS上对某货车端墙现有结构和设计结构的焊接变形进行预测,在现有的焊接工艺下计算结果和实际生产过程中测量所得的变形量比较吻合。通过比较分析两种结构在同一线能量下的焊接变形计算结果,从而得出端墙的改进效果,为设计过程提供参考依据。     

大型重载复杂轮廓真空室领圈焊接变形控制

窗口领圈是聚变堆真空室的关键部件,在与真空室窗口颈管焊接成一体后不能整体加工矫形,所以对窗口领圈制造精度和质量要求很高. 为获得较高的制造精度,采用相对于其它熔焊变形量较小、精度较高的电子束焊接对CFETR窗口领圈进行拼焊,根据固有应变理论计算出焊接的固有应变量导入软件,模拟窗口领圈在不使用夹具约束时四种拼焊方案的焊接变形情况,确定最优的焊接顺序和夹具约束方案,再对使用夹具约束时窗口领圈的焊接变形进行计算模拟. 结果表明,窗口领圈采用不同的焊接顺序,变形量也各不相同,夹具约束能有效减小焊接变形. 其结果为窗口领圈的实际拼焊过程提供了参考.     

考虑焊接顺序的电力机车枕梁焊接变形预测

根据枕梁实际建造工艺,利用基于固有应变理论为基础的焊接变形分析系统软件Weld-Sta对电力机车枕梁的焊接变形进行计算. 首先采用分步装焊模拟法,单独建立每一步的有限元模型,并设置相对应的焊缝,然后对每一步的焊接变形进行单独计算,再将各步结果进行叠加得到最终变形结果. 然后采用整体同时焊接模拟法,一次性计算整个模型的所有焊缝同时焊接后的变形,最后将两种方法的最终变形结果与实测数据进行比较. 结果表明,考虑分步焊接的方法更接近实测数据,从而验证了该方法的可靠性,为枕梁建造工艺的设计提供了理论指导.     

大型真空室焊接部件焊接变形预测与控制方法

真空室焊接部件在焊接过程中会产生较大的焊接变形,采用合理的焊接顺序及施加外部性约束可以在焊接过程中控制焊接变形. 根据固有应变理论给出了不同焊接接头固有应变的计算方法及应变在软件中的施加方法. 对真空室PS1段的四种焊接方案在无外部约束时的变形情况进行研究,根据无外部约束时PS1段的变形情况,确定了最优焊接顺序方案,制定了外部约束施加方法,并对有外部约束时PS1段的焊接变形进行计算. 结果表明,不同的焊接顺序其变形量不同,施加外部约束能够使焊接变形量明显减少,为实际加工生产提供了理论参考依据.     

基于固有应变法的转向架构架焊接变形数值模拟

使用SYSWELD中的固有应变法对转向架构架进行有限元分析。采用三种不同焊接方向的方案对构架变形进行数值模拟,模拟得到每种方案下构架各方向上的焊接变形。结果表明,使用固有应变法能够对大型构件进行焊接模拟;不同方向下的焊接变形趋势一致,但在不同位置上构架的变形不相同;可以设计适当的焊接方向,使产生的变形和弯曲减小。